KAIST, 초안정 광대역 광주파수 안정화 기술 개발
KAIST, 초안정 광대역 광주파수 안정화 기술 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.14 17:00
  • 조회수 478
  • 댓글 0
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요약

 

초안정 광대역 광주파수 안정화 기술이 개발됐습니다. 이번 연구에서는 안정성이 우수한 광섬유 광학 기술을 이용해 펄스 레이저의 주파수 안정도를 향상시키고 수십만개 이상의 주파수 모드들의 선폭을 1Hz 수준으로 낮추는 펄스 레이저 주파수 안정화 기술을 구현했습니다. 이는 향후 펄스 레이저 기반 고정밀, 고정확 측정의 보급화에 기여할 것으로 기대됩니다. 

초안정 광대역 광주파수 안정화 기술이 개발. 출처:  AdobeStock
초안정 광대역 광주파수 안정화 기술이 개발. 출처: AdobeStock

KAIST 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용한 고성능 주파수 안정화 기술을 개발했습니다. 이 기술을 이용하면 150테라헤르츠(THz)의 넓은 대역폭에 걸쳐 일정한 간격으로 분포한 60만 개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 동시에 1헤르츠(Hz) 수준으로 낮출 수 있습니다. 이를 통해 원자시계나 주파수 분광학에 활용할 수 있고 광주파수를 기반으로 한 양자 센서의 성능도 크게 높일 수 있을 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Science Advances>에 게재됐습니다.

 

선폭 (linewidth)

  • 광 주파수의 선폭은 신호원의 피크 파워의 절반 파워일 때 주파수의 폭을 의미하며 이상적인 신호원일수록 선폭은 좁습니다. 선폭은 신호의 시간 간섭성(temporal coherence)을 결정하는 값으로 선폭이 좁을수록 시간 간섭성이 향상되며 긴 시간이 지나도 두 신호원의 간섭을 통해 상관관계를 확인할 수 있습니다.

주파수 안정도 (fractional frequency stability)

  • 주파수 안정도는 기준 신호원 대비 주파수의 변화를 비율로 나타내는 방법으로 10-15의 주파수 안정도는 기준 주파수인 200 테라헤르츠(테라헤르츠 = 1012Hz)의 주파수 변화가 0.2 헤르츠(0.2 Hz)임을 의미합니다. 

광주파수 안정도 확보는 중요

 

레이저의 선폭과 광주파수의 안정도는 시간·주파수 표준, 양자광학, 분광학 등 기초과학 분야뿐 아니라 거리 측정, 형상 이미징 및 분산형 센서 등 다양한 공학 응용에서의 측정 분해능을 결정합니다. 

 

특히 작년 5월 기본단위의 재정의를 통해 7개의 국제 단위계(SI) 중 6개(시간, 길이, 질량, 전류, 온도 및 광도)가 주파수를 기반으로 정의되기 때문에 광주파수의 안정도를 확보하는 것은 초정밀 측정 및 센서 분야에서 매우 중요한 이슈입니다.

광섬유 광학 기술을 이용한 다수의 펄스 레이저 주파수 안정화 기술 및 응용. 출처: KAIST
광섬유 광학 기술을 이용한 다수의 펄스 레이저 주파수 안정화 기술 및 응용. 출처: KAIST

기존에는 다수의 광주파수를 안정화하기 위해 Q인자가 높은 초안정 공진기에 연속파 레이저를 주파수 잠금한 후 이를 다시 펄스 레이저에 주파수 잠금하는 방식을 사용했습니다. 하지만 이 방식은 장치의 크기가 클 뿐 아니라 주변 환경에 매우 민감한 수억 원 이상의 고가 장치이기 때문에 소수의 표준 연구소에서만 활용됐습니다. 

 

광통신용 광섬유 광학기술 이용해 광주파수 안정화 기술 개발

 

연구팀은 부품의 신뢰성과 가격 경쟁력이 확보된 광통신용 광섬유 광학 기술을 이용한 광주파수 안정화 기술을 개발했습니다. 그 결과 A4 용지 절반보다 작은 면적의 소형 장치를 이용해 펄스 레이저에서 발생하는 60만 개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 1Hz 수준으로 낮출 수 있었습니다. 또한, 각각의 주파수 모드에서 1천조 분의 1(10-15) 수준의 주파수 안정도를 확보했습니다. 연구팀의 기술은 다양하게 활용 가능해 특히 최근 대기 중 유해물질 모니터링 등의 분야에서 활용되고 있는 듀얼콤 분광학을 위한 고성능 광원으로 활용할 수 있습니다.

 

연구팀은 하나의 광섬유 링크에 두 펄스 레이저를 동시에 안정화하는 방식을 통해 150THz의 넓은 주파수 대역에 걸쳐 1Hz 수준의 선폭으로 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있는 고분해능 듀얼콤 분광학 광원을 선보였습니다. 불변하는 원자의 특성을 이용해 고정확도 측정이 가능한 양자 센서의 경우도 광주파수 분광학 기반이기 때문에 광주파수의 선폭과 안정도가 측정의 정확도와 신뢰도에 매우 중요합니다.

 

김정원 교수는 "이번 연구 결과를 활용하면 소형, 경량, 저가의 장치로 1천조분의 1 수준의 광주파수 안정화가 가능해 다양한 양자 센서를 센서 네트워크 형태로 확장하는 데 기여할 수 있을 것"이라고 말했습니다. 
 


##참고자료##

 

 


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